Soutenance mémoire
Caractérisation des bétons autoplaçants étudiés
Principe de la méthode
Pour limiter la lourdeur des études sur béton, il s’est avéré nécessaire d’utiliser une méthode d’essai rapide et capable de fournir des résultats pouvant être corrélés avec ceux qui seraient obtenus sur le béton. Le principe de calcul des MBE consiste à remplacer les graviers du béton par du sable dont la surface développée des grains est égale à celle du gravier que l’on a ôté (Figure 1.9).
Ce principe est basé sur deux réflexions permettant de penser que ce sont les surfaces de contact des constituants qui importent, plutôt que leur volume :
– la première découle du fait que l’ouvrabilité d’un béton provient de la façon dont ses constituants arrivent à « glisser » les uns sur les autres pour s’écouler.
– la seconde a pour origine la chimie de la prise, les hydrates se formant plutôt au niveau des interfaces.
Le MBE, pour Mortier de Béton Equivalent, est le nom donné au mortier qui participe à la rhéologie. Il peut être obtenu expérimentalement en tamisant le béton frais au tamis de 5mm. Le calcul complet est fourni en annexe A.
Pour utiliser cette méthode, il est nécessaire de connaitre les éléments d’identification des constituants et les bases de composition suivantes :
La granulométrie de chaque classe de granulats.
Leurs taux d’absorption d’eau.
Leurs masses volumiques.
Leurs teneurs en eau totales.
La nature et le dosage en ciment (ou en liant équivalent).
Les caractéristiques des adjuvants.
La composition granulaire du mélange.
Le rapport E efficace/L équivalent.
Les propriétés rhéologiques du MBE sont mesurées à l’aide d’un mini-cône (Figure 1.10) dont les dimensions sont une réduction de celles du cône d’Abrams (rapport d’homothétie de deux). Le mini-cône permet de mesurer l’affaissement ainsi que l’étalement du MBE étudié.
Corrélation entre le béton et le MBE
Afin de vérifier s’il y a une corrélation entre les propriétés rhéologiques mesurées sur différents bétons de laboratoires et de chantier et les mesures d’affaissement ou d’étalement sur leur MBE correspondant, Schwartzentruber et col. (2000) ont défini des formulations pour les quelles seule la nature du ciment et le dosage et la nature de l’adjuvant variaient. Cinq compositions de béton dosées à 400 kg/m 3 de ciment CPA-CEM I contenant différents superplastifiants ont été testées. Pour chacune d’elles, des suivis rhéologiques sur MBE et sur béton ont été effectué. L’ensemble des résultats obtenus sont représenté dans la Figure 1.11.
La Figure 1.11 montre que la relation entre l’étalement MBE et l’affaissement béton peut être modélisée par une droite avec une corrélation satisfaisante (coefficient de corrélation de 0,87) dans les plages de mesures étudiées.
La corrélation a également été validée par différents groupes de travail tels que ceux du projet national CALIBÉ(2000). Environ trente formulations de B25 à B40 ont été testées en utilisant une vingtaine d’adjuvants (plastifiants, superplastifiants, hauts réducteurs d’eau) et différents types de ciment, ils ont montré qu’une corrélation linéaire pouvait être établie pour toute formule de béton entre l’affaissement mesuré au cône d’Abrams et l’étalement mesuré au mini-cône avec une valeur moyenne du coefficient de corrélation R2 de 0,912 pour un écart type de 0,078 (Figure 1.12).
Les essais ont montré que l’équation de cette droite variait d’une composition à l’autre, c’est-à-dire qu’une droite n’est valable que pour un béton et son MBE correspondant.
Les résultats obtenus par Haifi (2011) montrent qu’il est possible d’étendre la méthode de MBE au béton autoplaçant, et que la composition particulière des BAP ne change pas le principe de calcul des MBE. La Figure 1.13 montre que le comportement rhéologique des BAP ainsi que leurs MBE est corrélable Haifi (2011) a constaté que le BAP a le même comportement que celui de son mortier correspondant. Les bétons ayant subi une perte d’ouvrabilité dans le temps présentent des mortiers qui ont également perdu de l’ouvrabilité dans le temps, et pour ceux qui ont un fort maintien de rhéologie dans le temps, leurs mortiers ont présenté le même comportement.
Une fois la droite de corrélation est connue, il suffit de faire un simple essai sur MBE, soit en faisant varier le dosage en adjuvant ou bien en faisant des suivis de rhéologie dans le temps.
Par ailleurs certains auteurs n’ont pas trouvé une corrélation entre les propriétés d’écoulement du BAP et son MBE (Figure 1.14). Ils ont expliqué cela par le fait que la présence des gravillons dans la phase liante ne rend pas possible l’homogénéité du milieu pendant son écoulement ce qui provoque la ségrégation des BAP donc il n’est plus possible d’évaluer correctement leur ouvrabilité (Mouret et col, 2011).
Bilan
Les BAP constituent une véritable alternative au béton traditionnel, comme l’ont montré un certain nombre d’exemples. Cependant, leur formulation et le contrôle de leurs propriétés lors de la mise en oeuvre nécessitent une attention particulière.
Jusqu’à maintenant, il n’existe pas de méthode générale pour la formulation des BAP. La méthode de formulation par l’expérience repose sur l’empirisme et le tâtonnement en fixant à priori certains paramètres, cette méthode vise à trouver un dosage en liant très élevé qui rend la formulation onéreuse. La théorie de la pâte en excès permet de quantifier le volume de pâte nécessaire à l’écoulement autoplaçant mais elle peut induire à des bétons parfois légèrement sous dosés en granulats.
La méthode chinoise se base sur le facteur de compacité « PF » pour ajuster la teneur relative des granulats et de la pâte. Cette méthode présente l’intérêt d’avoir des bétons autoplaçants plus économiques par rapport aux deux méthodes citées précédemment parce qu’elle permet d’économiser des constituants les plus chers, comme le ciment. Il apparaît donc nécessaire d’exploiter la méthode chinoise pour formuler des BAP avec des matériaux locaux.
Par ailleurs, la lecture bibliographique a fait jaillir des résultats parfois contradictoires sur la corrélation entre les paramètres rhéologiques des BAP et celles de leurs MBE correspondant. Il est donc nécessaire de vérifier ce point en se basant sur des essais plus poussées en utilisant un rhéomètre.
Paramètres influents sur les propriétés des BAP
Introduction
La meilleure façon d’assurer et d’atteindre au mieux les propriétés visées d’un BAP à l’état frais et durci est sans doute d’attacher une importance toute particulière à l’influence des paramètres de composition.
Chaque constituant joue un rôle différent dans l’écoulement et dans le comportement rhéologique à l’état frais et sur la résistance du mélange. Son rôle dépend essentiellement de son état (fluide et solide) et de sa nature minéralogique, chimique, et morphologique.
Influence des additions sur les propriétés des BAP
Pour leurs assurer une maniabilité suffisante tout en limitant les risques de ségrégation et de ressuage, les BAP contiennent une quantité de fines supérieure à celle des bétons conventionnels. Ces fines proviennent du ciment et des additions.
Les additions utilisées sont en général des cendres volantes, fumées de silice, laitier de haut fourneau ou les fillers calcaires. Elles sont définies par la norme européenne EN 206- 1 (2004) pour la conformité du béton comme « matériaux en minéraux finement divisés qui peuvent être ajoutés au béton afin d’améliorer certaines de ses propriétés ».
Les additifs de type sont étiquetés «presque inerte », tandis que les additifs de type sont des «minéraux pouzzolaniques ou latentes-hydraulique ». Leur utilisation est intéressante sur le plan rhéologique car ils sont d’une part moins réactifs à court terme que le ciment, ce qui permet d’avoir un temps prolongé d’ouvrabilité et d’autre part, la combinaison de plusieurs matériaux cimentaires ayant des granulométries différentes permet aussi d’améliorer la granulométrie totale des particules fines ainsi que celle du mélange de béton. Ceci favorise l’augmentation de la stabilité et l’accroissement de la déformabilité du béton.
Les fillers calcaires
Les fillers calcaires sont des produits secs finement divisés obtenus par broyage industriel des roches calcaires, dont les caractéristiques sont définies par la norme NF P18 – 305. Ils sont actuellement classés comme additions de type par la nouvelle norme européenne NF EN 206-1.
Les fillers calcaires peuvent exister dans les granulats et notamment le sable produit par concassage.
La Figure 2.1 montre que les fillers calcaires s’insèrent dans le squelette granulaire du ciment et permet de combler les vides entre les autres particules de dimensions plus importantes du béton (ciment, granulats). Cet effet se traduit par une compacité plus importante du squelette granulaire et va donc avoir des effets sur les propriétés du béton aussi bien à l’état frais qu’a l’état durci.
L’influence des fillers calcaires sur la rhéologie
L’influence des fillers calcaires sur les propriétés du béton depuis l’état frais jusqu’a l’état durci est un aspect important à prendre en compte pour limiter l’apparition de désordres (perte de maniabilité, baisse de résistances).
Du fait de sa grande utilisation dans l’industrie, de nombreuses études ont montré généralement le rôle important des fillers dans les bétons, les mortiers, en soulignant que leur présence excessive était souvent un facteur néfaste. Toutefois, ces études ont été réalisées le plus souvent sur des mortiers normaux dans lesquels une partie du sable ou du ciment a été substituée par des fillers calcaires (Benachour et col, 2008).
El Hilali (2009) a montré que l’ajout de fillers calcaires de surface spécifique élevée améliore la fluidité des BAP, particulièrement en milieu confiné. Les fillers augmentent la compacité du mélange, améliorent la résistance à la ségrégation et la robustesse de la formulation. De même, il apparaît que la finesse des fillers influe significativement sur la demande en superplastifiant (SP). Une augmentation de la surface de Blaine des fillers conduirait à une consommation plus élevée du (SP) et donc à une diminution rapide de l’ouvrabilité au cours du temps.
Dans le même ordre d’idée, Esping (2008) a montré que pour un dosage en eau constant à l’échelle du béton, le seuil de cisaillement et la viscosité sont augmentés avec l’augmentation de la surface spécifique du filler mesurée par la technique BET (Figure 2.2).
Les fillers calcaires ont une bonne affinité avec la matrice cimentaire. Par ailleurs, ils confèrent au béton frais un pouvoir de rétention d’eau qui permet de limiter le ressuage et la ségrégation (El Barrak, 2005). Cependant, si leur présence devient excessive, la compacité du béton diminue et la plupart des effets bénéfiques s’estompent, entraînant des effets néfastes sur la rhéologie, la résistance, la durabilité, etc. Benachour et col.
(2008) ont observé que le mortier qui contient un taux de fillers calcaires supérieur à 15% par substitution au sable est plus ferme.
Les résultats obtenus par Felekoglu (2007) ont montré que les fillers calcaires augmentent la viscosité des pâtes de ciment, en améliorant la stabilité et la non-ségrégation, pour un dosage en superplastifiant et un rapport eau/ (ciment+fillers) constants.
Le même auteur Felekoglu (2008) a fait une étude comparative entre un sable riche et un sable pauvre en fines dans les bétons autoplaçants. Un sable naturel lavé, un sable calcaire concassé lavé et deux autres sables calcaires contenant différents taux de fines ont été utilisés pour déterminer les propriétés des BAP à l’état frais et durci. Il a été observé que les fines calcaires du sable concassé augmentent la déformabilité de la pâte fraîche et la viscosité plastique des BAP. Comparé aux BAP formulés avec des sables lavés, la stabilité et la déformabilité sont améliorées avec l’utilisation des sables concassés riches en fines. Ces BAP présentent alors des meilleures performances à l’état frais sans diminution de la résistance à la compression à l’état durci.
Yahia et col. (2005) ont montré que chaque rapport E/C correspond à un dosage optimum en filler calcaire qui peut assurer un écoulement optimal du mélange cimentaire. Au-delà de ce seuil, les frictions entre particules sont de plus en plus importantes et donc la viscosité sera plus élevée.
D’un autre côté Taleb (2009) a constaté que le besoin en eau est plus important lorsqu’il s’agit d’utiliser des fines minérales en substitution d’une partie de ciment et d’après les résultats obtenus il a souligné que les fillers calcaires diminuent la viscosité du béton jusqu’à un certain taux de substitution, au-delà duquel les frictions entre les particules deviennent plus importantes et augmentent, par conséquence, la viscosité du mélange (Figure 2.3).
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Table des matières
RESUME
ABSTACT
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES FIGURES
LISTE DES NOTATIONS ET DES ABREVIATIONS
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 : CONCEPTS & RHEOLOGIE DES BAP ET MBE
I. Introduction
II. Méthodes de formulation des BAP
II.1. Formulation par l’expérience
II.2. La théorie de la pâte en excès
II.3. Méthode de formulation chinoise
II.3.1. Calcul du dosage des granulats
II.3.2. Calcul du dosage en ciment et en eau
II.3.3. Calcul du dosage en additions
II.3.4. Calcul de la quantité d’eau nécessaire pour le BAP
II.3.5. Calcul du dosage en superplastifiant (SP)
II.3.6. Ajustement de la quantité d’eau de gâchage
II.3.7. Les essais de contrôle des propriétés des BAP
III. Normalisation du béton autoplaçant
III.1. La norme NF EN 206-1
III.1.1. Terminologie
III.1.1.1. Le liant équivalent
III.1.1.2. E eff/Liant équi
III.1.2. Classification des bétons
III.1.2.1. Résistance caractéristique en compression à 28 jours
III.1.2.2. Classes de consistance
III.1.2.3. Classes de chlorures
III.1.2.4. Dimension des granulats
III.1.2.5. Classes d’exposition
III.2. La norme NF EN 206-9
III.2.1. Classification des BAP
III.2.1.1. Classes d’étalement
III.2.1.2. Classes d’aptitude à l’écoulement
III.2.1.3. Classes de résistance à la ségrégation
III.2.1.4. Essais de caractérisation des BAP
IV. Etude du comportement rhéologique des BAP
IV.1. Différents types de modèles d’écoulement appliqués aux bétons
V. Mortier du béton équivalent (MBE)
V.1. Principe de la méthode
V.2. Corrélation entre le béton et le MBE
VI. Bilan
Références bibliographiques
CHAPITRE 2 : PARAMETRES INFLUENTS SUR LES PROPRIETES DES BAP
I. Introduction
II. Influence des additions sur les propriétés des BAP
II.1 Les fillers calcaires
II.1.1 L’influence des fillers calcaires sur la rhéologie
II.1.2 L’influence des fillers calcaires sur la résistance
II.2. Cendres volantes
II.2.1. L’influence de la cendre volante sur la rhéologie
II.2.2. L’influence de la cendre volante sur la résistance
II.3. Fumées de silice
II.3.1. L’influence de la fumée de silice sur la rhéologie
II.3.2. L’influence de la fumée de silice sur la résistance
III. Influence des superplastifiants sur les propriétés des BAP
III.1. L’influence des superplastifiants sur la rhéologie
III.2. L’influence des superplastifiants sur la résistance
IV. Influence du volume de la pâte sur les propriétés des BAP
IV.1. Influence du volume de la pâte sur la rhéologie
IV.2. Influence du volume de la pâte sur la résistance
V. Influence du rapport E/C sur les propriétés des BAP
V.1. Influence du rapport E/C sur la rhéologie
V.2. Influence du rapport E/C sur la résistance
VI. L’influence du PF sur les propriétés des BAP
CHAPITRE 3 : CARACTERISATION DES MATERIAUX
I. Le ciment
II. Les fillers calcaires
III. Les granulats
III.1. Le sable
III.2. Le gravier
III.3. Analyse granulométrique
IV. Eau de gâchage
V. Les adjuvants
Références bibliographiques
CHAPITRE 4 : PARTIE EXPERIMENTALE
I. Formulation des BAP par la méthode chinoise
I.1. Détermination du facteur de compacité « PF »
I.2. Détermination du dosage minimal en ciment et du rapport Eeff/ Léqui
I.3. Détermination du rapport E/F
I.4. Dosage de saturation
I.4.1. Dosage de saturation pour une pâte de ciment
I.4.2. Dosage de saturation pour une pâte de fillers calcaires
I.5. Dosage en granulats
I.6. Dosage en fillers calcaires
I.7. Dosage en eau
II. Caractérisation des bétons autoplaçants étudiés
II.1. Essais de la norme 206-9
II.2 Les essais rhéologiques
II.3. Résistance des BAP
III. Formulation des MBE
III.1. Les essais rhéologiques des MBE
IV. Corrélation BAP/MBE
V. Etude comparative entre les méthodes de formulation
VI. Bilan
Références bibliographiques
CONCLUSION GENERALE ET PERSPERCTIVES
ANNEXES
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